(57)【要約】  工業プロセスのプロセス圧力を測定するための圧力トランスミッタアセンブリ（７０２）は、プロセス圧力を感知するように構成された圧力センサ（５００）を含む。プロセスカップリング（６０６）は、充填流体キャピラリー（６０２）を有する細長いハウジング（６１０）を使用して、圧力センサを工業プロセスに連結する。１つの例示的な構成では、少なくとも１つの熱電素子６２０が細長いハウジング内に含まれて、印加された電流または信号に応答してプロセスカップリングに熱を印加するか、またはプロセスカップリングから熱を伝導し、充填流体が予熱されることを可能にして、低温始動または較正を容易にし、高温動作中にプロセスカップリングの冷却を提供する。
2019526807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス変数トランスミッタを工業プロセスのプロセス流体に結合するためのプロセスカップリングであって、
プロセス流体に連結するように構成されたプロセスマウントと、プロセス変数トランスミッタに連結するように構成された対向トランスミッタ連結部とを有する細長いハウジングと、
前記プロセスマウントにおけるプロセス圧力をトランスミッタカップリングに伝達する前記細長いハウジング内のキャピラリーと、
前記キャピラリーに隣接して細長いハウジング内に配置され、印加された電気信号に応答して前記プロセスカップリングに熱を加えるか、または前記プロセスカップリングから熱を伝導するように構成された少なくとも１つの熱電素子と、
を含む、プロセスカップリング。
【請求項２】
前記少なくとも１つの熱電素子と前記キャピラリーとの間の前記細長いハウジング内に配置されるヒートシンクをさらに含み、前記ヒートシンクが、前記キャピラリーと前記少なくとも１つの熱電素子との間で熱エネルギーを伝導して、前記キャピラリー内の充填流体に熱を加えるか、またはそこから熱を逃がすように構成される、請求項１に記載のプロセスカップリング。
【請求項３】
前記ヒートシンクは、前記キャピラリーの長さに沿って前記キャピラリーを囲む、請求項２に記載のプロセスカップリング。
【請求項４】
前記ヒートシンクは、前記少なくとも１つの熱電素子および前記キャピラリーと接触している、請求項２に記載のプロセスカップリング。
【請求項５】
前記少なくとも１つの熱電素子が、前記細長いハウジング内にそれぞれ配置された複数の熱電素子を含む、請求項２に記載のプロセスカップリング。
【請求項６】
プロセス圧力を感知するように構成された圧力センサと、
前記圧力センサを工業プロセスに結合するように構成されたプロセスカップリングとを有する、工業プロセスのプロセス圧力を測定するための圧力トランスミッタアセンブリであって、
前記プロセスカップリングが、
工業プロセスのプロセス流体に連結するように構成されたプロセスマウントと、圧力センサに連結するように構成された対向カップリングとを有する細長いハウジングと、
前記プロセスマウントに隣接するプロセス端から対向するカップリングに隣接する圧力端まで延在する細長いハウジング内のキャピラリーであって、前記キャピラリーは、プロセスマウントにおけるプロセス圧力を対向するカップリングに伝達する充填流体を収容する、キャピラリーと、
前記キャピラリーに隣接して細長いハウジング内に配置され、印加された電気信号に応答して前記プロセスカップリングに熱を加えるか、または前記プロセスカップリングから熱を伝導するように構成された少なくとも１つの熱電素子と、を有する、
圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの熱電素子と前記キャピラリーとの間の前記細長いハウジング内に配置されたヒートシンクをさらに備え、
前記ヒートシンクは前記キャピラリー内の充填流体に熱を加えるか、または前記充填流体から熱を逃がすために、前記キャピラリーと前記少なくとも１つの熱電素子との間で熱エネルギーを伝導するように構成される、請求項６に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項８】
前記ヒートシンクは、前記キャピラリーの長さの少なくとも一部に沿って前記キャピラリーを取り囲む、請求項７に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項９】
前記ヒートシンクは、前記少なくとも１つの熱電素子および前記キャピラリーと接触する、請求項７に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの熱電素子が、前記細長いハウジング内にそれぞれ配置された複数の熱電素子を含む、請求項７に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１１】
前記複数の熱電素子は、前記キャピラリーの両側に配置される、請求項１０に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１２】
前記ヒートシンクおよび前記少なくとも１つの熱電素子は、前記細長いハウジング内で、プロセス端部よりも前記プロセス端部に近接して配置され、前記プロセス端部に近接した前記キャピラリー内の前記充填流体に熱が加えられる、請求項７に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１３】
前記プロセスカップリングは前記キャピラリーに結合された分離ダイアフラムを含み、それにより、前記分離ダイアフラムに加えられたプロセス圧力を前記圧力センサに結合する、請求項７に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの熱電素子に電力を供給するように構成されたドライバ回路を含む、請求項６に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１５】
前記プロセスカップリングに近接する温度センサを含む、請求項１４に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１６】
前記ドライバ回路は、前記温度センサによって感知された温度に応答して、前記熱電素子に電流を印加するように構成される、請求項１５に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１７】
前記ドライバ回路は、電流を前記熱電素子に印加して、前記キャピラリー内の前記充填流体に熱を加えるように構成されている、請求項１６に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの熱電素子のうちの１つまたは複数に結合され、圧力トランスミッタの動作のための電力を供給する際に使用するためのプロセス温度差から収集された電気エネルギーを蓄積するように構成された電池をさらに備える、請求項６に記載の圧力トランスミッタアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業プロセス監視および制御システムで使用されるタイプのプロセス制御トランスミッタに関する。より詳細には、本発明が高温環境または低温環境におけるプロセス変数を測定するトランスミッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス監視および制御システムは、工業プロセスの動作を監視および制御するために使用される。工業プロセスは、精製油、医薬品、紙、食品などの様々な製品を製造するために製造に使用される。大規模な実装では、これらのプロセスが所望のパラメータ内で動作するために監視および制御されなければならない。
【０００３】
「トランスミッタ（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）」はプロセス装置に結合し、プロセス変数を感知するために使用されるデバイスを記述するために使用される用語になっている。例示的なプロセス変数には、圧力、温度、流量などが含まれる。しばしば、トランスミッタは、遠隔位置（すなわち「フィールド」）に配置され、感知されたプロセス変数を中央に配置された制御室に返送する。有線通信および無線通信の両方を含む様々な技術が、プロセス変数を送信するために使用される。１つの一般的な有線通信技術は２線プロセス制御ループとして知られるものを使用し、このループでは、１対のワイヤを使用して、情報を搬送するとともにトランスミッタに電力を供給する。情報を伝送するための１つの十分に確立された技術は、４ｍＡと２０ｍＡとの間のプロセス制御ループを通して電流レベルを制御することによる。４２０ｍＡの範囲内の電流の値は、プロセス変数の対応する値にマッピングすることができる。
【０００４】
トランスミッタの１つのタイプは、圧力トランスミッタである。一般に、圧力トランスミッタは、プロセスの流体の圧力を測定する任意のタイプのトランスミッタである。圧力トランスミッタは、差圧、絶対圧、またはゲージ圧を含む圧力を直接測定するために使用することができる。さらに、既知の技術を使用して、圧力トランスミッタを使用して、２つの位置間のプロセス流体の圧力差に基づいてプロセス流体の流量またはレベルを測定することができる。
【０００５】
典型的には、圧力トランスミッタは分離システムを介してプロセス流体の圧力に結合する圧力センサを含む。隔離システムは例えば、プロセス流体と物理的に接触する隔離ダイヤフラムと、隔離ダイヤフラムと圧力センサとの間に延在する隔離充填流体とを含むことができる。充填流体は、油などの実質的に非圧縮性の流体を含むことが好ましい。プロセス流体が隔離ダイヤフラムに圧力を加えると、加えられた圧力の変化が、隔離流体を通って圧力センサまでダイヤフラムを横切って伝達される。このような隔離システムは、圧力センサの繊細な構成要素がプロセス流体に直接曝されることを防止する。
【０００６】
プロセス環境によっては、プロセス流体が比較的高い温度を受けることがある。しかしながら、トランスミッタは、１８５°Ｆの最大動作温度を有することができる。高温動作用に設計された特定のトランスミッタは、この温度を２５０°Ｆ〜３００°Ｆに拡張することができる。極端な温度でも、圧力測定に誤差が生じる可能性がある。圧力トランスミッタの最高温度を超える温度を有するプロセスでは、トランスミッタ自体がプロセス流体から離れて配置され、キャピラリー（毛細管）を使用してプロセス流体に結合されなければならない。キャピラリーは数フィート走行することができ、隔離流体が管内に運ばれる。チューブの一端は隔離ダイヤフラムを介してプロセスに取り付けられ、チューブの他端は圧力トランスミッタに連結される。このキャピラリーおよび隔離ダイヤフラムは、一般に「遠隔シール」と呼ばれる。
【０００７】
いくつかの遠隔シール用途では、トランスミッタが動作し得るプロセス温度範囲をさらに増加させ得る充填流体を利用することが有利であり得る。より高いプロセス温度を取り扱うために、より高い温度で働くことができる充填流体を使用することができる。しかし、そのような充填流体の中には、固体であるか、または冷たい周囲温度で極めて粘稠であるかのいずれかのものがあり、室温でもそうであり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
トランスミッタが室温で較正されることを可能にし、および／または高温プロセスが完全に温度まで上げられる前に、冷たい周囲条件で妥当な時間量で圧力を送信および読み取ることができることが望ましい。充填流体が室温で固体または過度に粘稠である場合、そのような較正は不可能であり得る。加熱装置を使用して、高温充填流体が十分に低い粘度を有する温度までトランスミッタまたは遠隔シールを加熱することができるが、トランスミッタまたは遠隔シールのいくつかの構成要素はこれらのより高い温度で損傷を受ける可能性がある。例えば、高温充填流体を使用する場合でさえ、低温限界を有する中間充填流体は、典型的には高温充填流体と圧力センサとの間でプロセス圧力を伝達するために使用される。この中間充填流体は、加熱に耐えることができないことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
工業プロセスのプロセス圧力を測定するための圧力トランスミッタアセンブリは、プロセス圧力を感知するように構成された圧力センサを含む。プロセスカップリング（継手）は、圧力センサを工業プロセスに結合する。１つの例示的な構成では、プロセスカップリング内に担持される相変化材料が工業プロセスからの熱に応答して相を変化させることによって、工業プロセスからプロセス変数センサへの熱伝達を低減するように構成される。別の構成例では、熱電対電気冷却(TEC:thermocouple electric cooling)素子がプロセスカップリングに結合され、印加された電流に応答してカップリング（継手）から熱を逃がすように構成される。
【００１０】
工業プロセスのプロセス圧力を測定するための圧力トランスミッタアセンブリは、プロセス圧力を感知するように構成された圧力センサを含む。プロセスカップリングは、充填流体キャピラリーを有する細長いハウジングを使用して、圧力センサを工業プロセスに連結する。１つの例示的な構成では、少なくとも１つの熱電素子が細長いハウジング内に含まれて、印加された電流または信号に応答してプロセスカップリングに熱を印加するか、またはプロセスカップリングから熱を伝導し、充填流体を予熱して冷間始動または較正を容易にし、高温動作中にプロセスカップリングの冷却を提供する。
【００１１】
この概要および要約は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化された形式で紹介するために提供される。要約および要約は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることも意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、工業プロセスに結合されたプロセス変数トランスミッタアセンブリの側面図である。
【図２】図２は、図１のプロセス可変トランスミッタアセンブリの拡大斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１のプロセス可変トランスミッタアセンブリの側面斜視断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１のプロセス変数トランスミッタアセンブリの側面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、ヒートシンク、相変化材料、および熱電気冷却素子を示す側面平面断面斜視図である。
【図４】図４は、図１のプロセス変数トランスミッタアセンブリの単純化されたブロック図である。
【図５】図５は、プロセス変数トランスミッタアセンブリのプロセスカップリングのさらなる実施形態の斜視図である。
【図６】第６図は、第５図に示すプロセス継手の細長いハウジングの内部の構成要素を示す概略端面図である。
【図７】図７は、図５に示すプロセスカップリングを含むプロセス変数トランスミッタの実施形態の簡略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、プロセス流体および／またはプロセス環境が比較的高い温度を経験し得るプロセス流体のプロセス変数を測定するために使用されるタイプの工業用トランスミッタに関する。産業プロセスからプロセス変数センサおよびトランスミッタエレクトロニクスに伝達される熱を低減するための構成が提供される。１つの例示的な構成では、相変化材料が熱伝達を低減するために使用される。別の構成例では、熱伝達を低減するために、熱電または熱電冷却(TEC:thermal electric cooling)素子が提供される。これらの構成は、独立してまたは組み合わせて実装することができる。この構成は、背景技術の項で説明した遠隔シール技術を必要としない。これらの構成および／または他の構成では、１つまたは複数の熱電素子またはデバイスによって熱を加えて、プロセスカップリングのキャピラリー内の高温充填流体を予熱し、冷間始動または較正を可能にすることができる。熱印加構成は、独立して、または熱低減構成と組み合わせて実施することができる。
【００１４】
製薬、バイオテクノロジー、食品および飲料技術などのプロセス産業で使用される電子工業用圧力トランスミッタは、多くの場合、特別な要件を有する。例えば、それらは、非常に高い温度でプロセス流体の圧力を測定するためにしばしば必要とされ得る。それらは、両方の「バッチ」の処理の間に起こる洗浄プロセスの間、非常に高い温度に耐える必要があることが多い。洗浄プロセスは、「クリーンインプレイス」（ＣＩＰ）および／または「滅菌インプレイス」（ＳＩＰ）と呼ばれる。これらのプロセスは、プロセス界面を２００℃を超える温度にさらす。さらに、圧力測定トランスミッタは、クリーニングプロセスに耐えるだけでなく、クリーニングプロセス中およびクリーニングプロセス後に最小の誤差を提供することが望ましい。これは、次の「バッチ」ができるだけ早く処理を開始することを可能にする。洗浄プロセス中に誤差が存在する場合、測定デバイスは洗浄プロセスに続く出力のシフトなしに、その較正パラメータに迅速に戻ることが望ましい。
【００１５】
従来の工業用圧力トランスミッタは約１８５°Ｆまでの温度で生き残り、名目上動作することができる。高温動作用に構成されたいくつかの特別に設計されたトランスミッタは、これを２５０°Ｆ〜３００°Ｆに拡張することができる。しかしながら、これらの温度を超えると、例えば、電子部品の過熱により、装置の実質的なエラー及び／又は完全な故障が起こり得る。背景技術の節で論じたように、遠隔シール（二次充填システム(secondary fill system)、ケミカルシールとも呼ばれる）を使用して、高温プロセス環境の必要性を満たすことができる。これらのシールは、しばしば４００°Ｆを超える温度に耐えることができる。しかし、このような構成は多くの欠点を有する。例えば、実質的な測定誤差は、１５％もの高いプロセス温度と関連し得る。さらに、この構成は不十分な温度過渡挙動、すなわち、大きな誤差および遅い回復につながる可能性がある。この構成はまた、高温洗浄からベースライン動作温度に戻るときに、ドリフトおよび反復不可能な誤差を導入する。また、それらは、洗浄プロセス中に圧力を正確に測定することができない場合がある。
【００１６】
本発明の工業用圧力トランスミッタは、高温プロセス、およびタンク洗浄中に経験されるような断続的な高温を経験するプロセス（ＣＩＰおよびＳＩＰ）において改善された性能を提供する。いくつかの実施形態では、改善が高いプロセス温度能力および信頼性の増加、高いプロセス温度下での測定中の誤差の低減、高い温度から通常動作に戻るときの誤差の低減、および過渡温度からの戻り速度の改善を含む。
【００１７】
図１はプロセスカップリング１０６を介して工業プロセス流体１０４に結合された圧力トランスミッタ１０２を含む圧力トランスミッタアセンブリ１００の側面図であり、図２は部分斜視図である。いくつかの実施形態では、カップリング１０６が容器、パイプなどのようなプロセス容器に取り付けるように構成されたプロセスフランジ面１０８を含むことができる。しかしながら、プロセスフランジの代わりに、例えば、クランプ又はねじ接続タイプのマウントを含む他のタイプの取付部品を使用することもできる。開示される実施形態はプロセスフランジマウントを参照して説明されるが、当業者は他のマウントが代わりに使用され得ること、および開示される実施形態がこれらの他のタイプのプロセスマウントの使用を含むことを理解する。
【００１８】
プロセス流体１０４からの圧力はフランジ１０８を通り、細長いハウジング１１０内に担持されたキャピラリー３０２（図３に示す）を通って、プロセス変数トランスミッタ１０２のトランスミッタフランジ１１２に伝達される。プロセス変数トランスミッタ１０２内の圧力センサ（図１または図２には示されていない）は、印加されたプロセス圧力を感知する。感知された印加プロセス圧力に関連する情報は、別の場所に伝達される。例えば、２線式プロセス制御ループによる遠隔プロセス制御室である。例示的な２線式プロセス制御ループ１１４が図１に示されており、デジタル情報が４ｍＡ〜２０ｍＡの電流に変調されるＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル、Foundation FieldbusまたはＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルなどを含む任意の適切なプロトコルに従って、またはＩＥＣ６２５９１によるＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルなどの無線通信プロトコルを介して動作することができる。
【００１９】
図１及び図２はまた、プロセスカップリング１０６のヒートシンク１２０を示す。ヒートシンク１２０は複数のフィンからなり、細長いハウジング１１０に熱的に結合されている。一実施形態では、熱電冷却素子１２２がヒートシンク１２０に熱的に結合する。熱電気冷却素子１２２は、電気接続１２４を介してトランスミッタ１０２内の回路（図１には示さず）に電気的に結合される。
【００２０】
図３Ａは断面斜視図であり、図３Ｂは側面図であり、図３Ｃはプロセスカップリング１０６をより詳細に示す切り欠き斜視図である。図３Ａに示すように、プロセスフランジ面１０８は、プロセス流体１０４からプロセス圧力Ｐを受け取るように構成された隔離ダイヤフラム３００を含む。隔離ダイヤフラム３００の反対側には、細長いハウジング１１０を貫通して延びる細長いキャピラリー３０２がある。キャピラリー３０２は、好ましくは油のような非圧縮性である隔離流体を運ぶ。キャピラリー３０２は第２の隔離ダイヤフラム３０４まで延び、隔離ダイヤフラム３０４自体は隔離流体に結合され、隔離流体は図３Ａには示されていないトランスミッタ１０２内の圧力センサ（図示せず）まで延びている。圧力がダイヤフラム３００に加えられると、この圧力はキャピラリー３０２内の隔離流体および隔離ダイヤフラム３０４に伝達される。
【００２１】
図３Ａおよび図３Ｂはまた、閉相変化材料（ＰＣＭ）管３１０を示す。ＰＣＭチューブ３１０は、その中に相変化材料(PCM:phase change material)材料３１２を担持する。プロセス流体１０４からの熱は、フランジ１０８を通って伝達され、矢印３２０で示される。この熱は、管３１０内の相変化材料３１２の加熱を引き起こす。この加熱により、ＰＣＭ材料３１２は例えば、液体状態から気体状態に変化する。相変化は、フランジ面１０８から引き出される「気化熱」として知られる追加のエネルギーを必要とする。ＰＣＭ材料３１２が状態を変えた後、それはチューブ３１０のプロセス端３２２からトランスミッタ端３２４に流れる。例えば、気体状態では、ＰＣＭ材料３１２の重量が固体状態の場合よりも少なくてもよい。カップリング１０６がトランスミッタ端部３２４がチューブ３１０のプロセス端部３２２よりも高くなるように配向される場合、気相変化材料３１２は、フランジ１０８から離れてプロセス端部３２４に向かって流れる傾向がある。これにより、プロセス流体１０４からの熱は矢印３３０によって示されるように、フランジ１０８からヒートシンク１２０に向かって引き出される。ＰＣＭチューブ３１０は例えば図３Ｂの例示的な実施に示されるように、水平または垂直マウント構成で効果的に使用するために、細長いハウジング１１０の周囲に軸方向に配置することができる。空気がヒートシンク１２０のフィンを通過すると、矢印３３２によって示されるように、熱がヒートシンク１２０から引き出される。このプロセスはＰＣＭ材料３１２を冷却し、状態を変えることを可能にする。例えば、材料は気体状態から液体状態に、または液体状態から固体状態に変化し得る。このプロセスでは、ＰＣＭ材料は管３１０のプロセス端部３２２に戻り、それによって冷却サイクルを繰り返すことができる。ＰＣＭ材料は、所望に応じて選択することができる。好ましい材料の例には、水、芳香族（ＤＥＢ）、シリケート−エステル（Ｃｏｏｌａｎｏｌ ２５Ｒ）、脂肪族（ＰＡＯ）、シリコーン(Syltherm XLT)、フルオロカーボン（ＦＣ−７７）、ＥＧ／水（５０：５０（ｖ／ｖ））、ＰＧ／水（５０：５０（ｖ／ｖ））、メタノール／水 ４０：６０（ｗｔ／ｗｔ）、エタノール／水 ４４：５６（ｗｔ／ｗｔ）、およびギ酸カリウム／水 ４０：６０（ｗｔ／ｗｔ）が含まれる。ＰＣＭ材料が液体から気体（または固体から液体）に状態を変えるにつれて、この相転移は、より多くの熱がプロセスから伝達されることを必要とする。これは、材料の「融解熱」として知られている。同様に、相変化材料が気体から液体へ（または液体から固体へ）遷移することにつれて、その高い融解熱のために大量の熱エネルギーを放出する。材料は、高い融解熱を有するだけでなく、工業プロセスの温度およびプロセス変数トランスミッタ１１２の所望の動作温度範囲に基づいて所望の温度で生じる相変化も有するように選択されるべきである。
【００２２】
好ましくは、管３１０がＰＣＭ材料がヒートシンク１２０に向かう方向に流れるように配置される。この流れは、例えば、システムに対する重力の影響によるものであり得る。例えば、気相ではＰＣＭ材料が上向きの方向に流れることができ、一方、液相ではＰＣＭ材料がシステムの物理的に低い点に沈降する傾向がある。したがって、図３Ａに示すように、ヒートシンク１２０は、フランジ面１０８よりも高い位置に配向することができる。図３Ｂは、このシステムを水平に配置した他の構成例を示している。このような構成では、ＰＣＭチューブ３１０がフランジ面１０８からヒートシンク１２０まで延びるにつれて上方に向けることができる。しかし、他の構成を実装することもできる。
【００２３】
図３Ａおよび図３Ｃはまた、ヒートシンク１２０に結合された熱電冷却素子１２２を示す。これらは、トランスミッタ１０２内に含まれる回路によって制御することができる。熱電冷却素子１２２は、既知の技術に従って動作する。電流が素子１２２を通過すると、熱は、印加された電流の方向によって決定される方向に伝達される。したがって、熱電気冷却素子１２２はヒートシンク１２０から追加の熱を奪い、それによって相変化材料３１２の冷却プロセスを加速するために使用することができる。素子１２２は独立して使用されてもよく、所望であれば、相変化材料またはヒートシンクの使用を必要としない。任意の数の熱電冷却素子を導管の周囲に配置することができる。このような素子は一般に、２つの異なる金属の接合部で生成される電位が、接合部を横切って熱を伝達させるゼーベック効果に従って動作する。同様の電気冷却器は、ペルチェ効果を使用して、２つの異なる異なるタイプの材料の間に熱流束を生成することも知られている。例えば、ｎ型およびｐ型半導体材料を一緒に配置し、熱電冷却素子を作製するために使用することができる。熱伝達量は、印加電圧に関係する。素子に電圧が印加されると、接合部に直流電流が流れ、温度差が生じる。
【００２４】
図４は、プロセス変数トランスミッタ１０２の構成要素を示す簡略ブロック図である。図４には、プロセス変数センサ５００が示されており、このプロセス変数センサ５００は上述したように、圧力センサとすることができる。センサ５００は上述したように、細長いハウジング１１０を介してプロセス１０４に連結される。プロセス変数センサからの出力は、測定回路５０２に供給される。このような回路は例えば、アナログ／デジタル変換器、フィルタリング回路などを含むことができる。デジタル化された出力は、測定回路５０２のためにコントローラ５０４に提供される。コントローラ５０４は例えば、メモリ５０６に記憶されたプログラミング命令に従って動作するマイクロプロセッサ等を備えることができる。コントローラ５０４は、入力／出力回路５０８を使用して、感知されたプロセス変数に基づいて出力を提供する。図４において、Ｉ／Ｏ回路５０８は、プロセス制御ループ１１４に接続するものとして示されている。しかし、本発明はこのような構成に限定されるものではない。一例では、Ｉ／Ｏ回路５０８がプロセス変数トランスミッタ１０２の電気構成要素に電力を供給する電力出力も供給する。例えば、そのような電力は、プロセス制御ループ１１４から導出されてもよい。
【００２５】
プロセス可変トランスミッタ１０２は、熱電冷却素子５１２を結合するドライバ回路５１０も含む。ドライバ回路は例えば、素子５１２に電流を印加する回路を含むことができる。このような電流は例えば、素子５１２に細長いハウジング１１０から熱を奪わせる極性を有する直流を含むことができる。
【００２６】
図４は、オプションの温度センサ５１６も示す。図４に示す構成では、温度センサ５１６からの出力がコントローラ５０４による使用のために測定回路５０２に供給される。温度センサ５１６は、フィードバック制御機構が熱電冷却素子５１２の動作を制御するために使用されることを可能にする。例えば、導管５１２の温度が最大所望の閾値未満である場合、コントローラ５０４は、ドライバ回路５１０を使用して素子５１２をオフにすることができる。同様に、熱電気冷却要素５１２によって与えられる冷却量は、ドライバ回路５１０によって印加される電流を制御することによって制御することができる。これにより、コントローラ５０４は、導管１１２から引き出される熱量を制御することができる。したがって、導管１１２が特に高温である場合、より大きな電流が素子５１２に印加され、それによって、伝達される熱の速度が増加する。同様に、導管１１２がより低い閾値温度に近い場合、少量の電流を印加することができる。このような構成は、電力消費を低減するために有利であり得る。一例示的実施形態では、熱電冷却素子５１２に電力を供給するために、バッテリまたは他の電力貯蔵デバイスがトランスミッタ１０２内に保持される。
【００２７】
上述したように、ある遠隔シール又は他の圧力トランスミッタ用途では、トランスミッタが動作できるプロセス温度範囲をさらに増加させることができる高温キャピラリー充填流体を利用することが有利であり得る。しかし、このような充填流体のいくつかはある周囲温度で極めて粘性が高く、または固体でさえあるので、これらのトランスミッタの低温始動はデバイスの較正が困難であり得る。
【００２８】
次に図５を参照すると、図１に示された圧力トランスミッタアセンブリ１００に関して類似のプロセス変数トランスミッタアセンブリのプロセスカップリング６０６の部分斜視図が示されている。図６は、図５に示すプロセスカップリングの細長いハウジング６１０の内部の構成要素を示す概略端面図である。図５および図６に示すプロセスカップリングは上述の特徴のいくつかまたはすべてを含むことができるが、すべての実施形態においてそれらの特徴を含む必要はない。図５および図６に示すプロセスカップリング構成を含むトランスミッタまたはトランスミッタアセンブリ７０２を、図７のブロック図形式で示す。トランスミッタまたはトランスミッタアセンブリ７０２の他の構成要素は、図１〜４を参照して上記に示され、議論されたものであり得る。
【００２９】
例示的な実施形態では、プロセスカップリング６０６が容器、パイプなどのプロセス容器に取り付けるように構成されたプロセスフランジ面６０８を含む。プロセス流体１０４からの圧力は、フランジ６０８を通って、細長いハウジング６１０内に担持されたキャピラリー６０２（図６に示す）を通って、プロセス変数トランスミッタのトランスミッタフランジ（全体を６１２で示す）又は他の圧力センサカップリングに伝達される。プロセス変数トランスミッタ７０２内の圧力センサ（図５または図６には示されていない）は、印加されたプロセス圧力を感知する。感知された印加プロセス圧力に関する情報は図１を参照して上述したように、２線式プロセス制御ループ１１４を介して、別の場所、例えば、遠隔のプロセス制御室に伝えられる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、キャピラリー６０２がトランスミッタをより高温のプロセス流体と共に使用できるようにする高温充填流体を含む。しかし、上述したように、そのような高温充填流体の中には、より低い温度または室温でさえも高粘性であり、冷間始動を困難にするものがある。このような場合における高温充填流体の使用を容易にするために、充填流体温度制御機構６０５を細長いハウジング６１０内に含めることができる。温度制御機構６０５は、例示的な実施形態では細長いハウジング６１０内に配置され、充填流体の温度を上昇または維持するための熱エネルギーを生成するように構成された１つまたは複数の熱電素子または熱電デバイスを含む。同じ熱電素子を使用して、プロセスカップリングから熱を除去し、充填流体の温度を低下または維持することができる。
【００３１】
図６に示すように、例示的な実施形態では、温度制御機構６０５が細長いハウジング６１０内に配置された少なくとも１つ、典型的には複数の熱電素子６２０を含む。１つの例示的な実施形態では、４つの熱電素子６２０が含まれ、キャピラリー６０２に隣接して配置される。熱電素子６２０はキャピラリー６０２を実質的に取り囲むように配置することができ、キャピラリー６０２の各々は互いに反対側に配置されるが、これは全ての実施形態においてそう必要はない。熱電素子マウント６３０をハウジング６１０内に含めて、熱電素子を固定し、位置決めすることができる。熱電素子への電気接続７２４（図７に示される）は、マウント６３０、素子６２０とハウジング６１０との間の空間、またはその他の場所を通ることができる。
【００３２】
例示的な実施形態では、温度制御機構６０５はまた、熱電素子６２０とキャピラリー６０２との間のハウジング６１０内に配置された中央ヒートシンク６２５を含み、熱電素子とキャピラリーとの間の熱エネルギーの伝導を助ける。ヒートシンク材料は理想的には高熱伝導性であり、素子６２０とキャピラリー６０２内の充填流体との間の効率的な熱伝達を可能にし、システムの時間応答を改善し、熱感受性素子または中間流体を保護するために、動作中に充填流体をそのより高い温度に維持するための熱伝達を提供する。ヒートシンク６２５は、熱電素子６２０およびキャピラリー６０２と直接接触して配置することができる。代替として、ヒートシンク６２５は、熱ペーストなどのような他の熱伝導性材料を介して熱電素子６２０およびキャピラリー６０２に結合され得る。ヒートシンク６２５は、キャピラリーの長さの一部に沿って、またはキャピラリーの全長に沿って、キャピラリー６０２を取り囲むように構成され得る。ヒートシンク６２５がキャピラリー６０２の長さに沿って部分的にのみ延在する実施形態では、ヒートシンク６２５および熱電素子６２０がトランスミッタへの過剰な熱伝達を防止するために、トランスミッタまたは細長いハウジングの圧力センサ端部よりも細長いハウジング６１０のプロセス端部により近接して配置することができる。
【００３３】
キャピラリー６０２を加熱するために、熱電素子６２０は電流または信号に応答して熱を発生するように制御され、熱エネルギーはヒートシンク６２５を介してキャピラリー６０２およびその中に含まれる充填流体に伝達される。キャピラリー６０２および充填流体を冷却するために、熱電素子６２０は電流または信号に応答して熱を吸収するように制御され、熱エネルギーはキャピラリー６０２からヒートシンク６２５を通って伝達される。
【００３４】
次に図７を参照すると、図４に示すものと同様の簡略ブロック図が示されており、トランスミッタ１０２の実施形態とすることができるプロセス変数トランスミッタ７０２の構成要素を示している。図７の同様の構成要素には図４の対応する構成要素と同じ番号が付けられており、これらの構成要素の説明は上述した通りである。図７には、プロセス変数センサ５００が示されており、このセンサ５００は上述したように、圧力センサとすることができる。センサ５００は上述したように、細長いハウジング６１０を介してプロセス１０４に連結される。プロセス変数センサからの出力は、測定回路５０２に供給される。デジタル化された出力は、測定回路５０２のためにコントローラ７０４に提供される。コントローラ７０４は例えば、メモリ５０６に記憶されたプログラミング命令に従って動作するマイクロプロセッサ等を備えることができる。コントローラ７０４は、入力／出力回路５０８を使用して、感知されたプロセス変数に基づいて出力を提供する。図４において、Ｉ／Ｏ回路５０８は、プロセス制御ループ１１４に接続するものとして示されている。しかし、本発明はこのような構成に限定されるものではない。一例では、Ｉ／Ｏ回路５０８がプロセス変数トランスミッタ７０２の電気構成要素に電力を供給する電力出力も供給する。例えば、そのような電力は、プロセス制御ループ１１４から導出されてもよい。
【００３５】
プロセス変数トランスミッタ７０２はまた、１つ以上の熱電素子６２０に結合するドライバ回路７１０を含む。ドライバ回路７１０は例えば、コントローラ７０４からのコマンドに応答して素子６２０に電流を印加する回路を含むことができる。このような電流は例えば、素子６２０がヒートシンク６２５を通してキャピラリー６０２に熱を加えるか、または細長いハウジング１１０から熱を奪う極性を有する直流を含んでもよい。
【００３６】
図７はまた、任意の温度センサ５１６を示す。図７に示される構成において、温度センサ５１６からの出力は、コントローラ７０４による使用のために測定回路５０２に提供される。温度センサ５１６は、フィードバック制御機構が熱電素子６２０の動作を制御するために使用されることを可能にする。例えば、ハウジング６１０内の温度が、キャピラリー６０２内の高温充填流体に対する最小の所望の閾値未満である場合、コントローラ７０４は熱電素子６２０に、ドライバ回路７１０を使用して熱エネルギーを印加させることができる。あるいはハウジング６１０内の温度が最大所望の閾値を上回る場合、コントローラ７０４はドライバ回路７１０を使用して熱電素子６２０に熱エネルギーを吸収させることができる。また、いくつかの実施形態では、コントローラ７０４が感知された温度が閾値温度にどれだけ近いかに基づいて、熱電素子６２０によって提供される加熱または冷却の量を制御することができ、有益な場合、熱伝達率を増加させるために素子６２０により大きな電流が印加される。
【００３７】
図７はまた、熱電素子６２０のいくつかまたは全てであり得るか、または異なる熱電素子または熱電素子のセットであり得る、任意選択の熱電素子または素子７５０を示す。熱電素子７５０は、プロセス温度と、周囲温度などの第２の温度との間の温度差を利用して、電気エネルギーを収集する。電圧ブースト回路７５５はまた、随意に含まれ、熱電素子７５０の電圧出力をブーストするために熱電素子７５０に結合され得、ブーストされた電圧信号は、バッテリを充電するためにバッテリ７６０に提供される。バッテリ７６０はトランスミッタ７０２の他の回路、例えば、入力／出力回路５０８または他の回路に結合されて、いくつかの例示的な実施形態においてワイヤレストランスミッタ機能の一部または全部に電力を供給することを含む、トランスミッタ機能に電力を供給するための電力を提供する。また、いくつかの実施形態では、熱電素子７５０を使用してプロセスから回収された電力が熱電素子６２０を使用して加熱および／または冷却するために使用される。
【００３８】
開示された実施形態は、圧力トランスミッタおよび遠隔シール装置の加熱および冷却の両方のために熱電素子または熱電装置を利用する。上述したように、熱電素子または装置を使用して、キャピラリー内の少量の高温充填流体をその理想的な動作範囲に加熱して、室温または低温の始動／較正を可能にすることができる。これは、電池に蓄えられるか、またはプロセス制御ループから得られる少量のエネルギーを必要とするだけである。しかしながら、別の機能は、高温動作中に遠隔シール装置の細長いハウジングを冷却することである。所望であれば、このために必要とされるより大きなエネルギー量は、トランスミッタが動作する必要がある高温プロセス温度と所要のより低温の周囲温度との間の大きな熱勾配からほぼ完全に得ることができる。また、必要に応じて、この温度勾配を用いて得られる電気エネルギーは、無線圧力トランスミッタ動作のためにバッテリを充電するために使用することができる。
【００３９】
本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。上述したように、上述した熱電冷却素子及び／又は相変化材料は、組み合わせて又は個別に実施することができる。構成要素は導管の周囲に配置されるように図示されているが、他の構成も実施することができる。場合によっては、導管に熱を加えることが望ましい場合がある。熱電冷却素子はドライバ５１０に印加される電圧を逆にすることにより、このような状況で使用することができる。さらに、１つの構成では、温度センサ５１６がＴＥＣ素子５１２内に含まれる。同様に、フィードバック回路は電源と同様に、素子５１２内に含まれてもよい。このような構成では、フィールド装置１０２への接続なしにＴＥＣ素子５１２を使用することができる。本明細書では冷却について概説するが、熱電冷却素子は導管が加熱される逆の構成で動作させることもできる。さらに、図示した構成では相変化材料を運ぶ閉じた管がフランジ面１０８からトランスミッタ１０２まで延びているが、他の構成も実施できる。ＰＣＭチューブ３１０は、必ずしも細長いハウジング１１０の全長にわたって延在する必要はない。さらに、管が図示されているが、他の構成も実施可能である。加熱状態にあるとき、相変化材料は、チューブのトランスミッタ端に移動することが好ましい。加熱状態よりも冷たい冷却状態にあるとき、相変化材料は、管のプロセス端部に移動する。１つの例示的な構成では、ＰＣＭチューブがプロセス連結部からヒートシンクおよび／またはＴＥＣ素子などの冷却素子まで延びるにつれて、上方向に配向される。ＴＥＣ素子は、任意の適切な電気信号に応答することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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